Formation Control of Two Interconnected Underactuated Unmanned Surface Vessels Under Influence of Constant Ocean Currents

Abstract

I denne oppgaven blir en mulig formasjonsstyringsmetode foreslått for autonom minerydding for den neste generasjonen av mineryddere for Sjøforsvaret, som for øyeblikket er under utvikling av Forsvarets Forskningsinstitutt (FFI). Ved å utvikle autonome mineryddingsfartøy kan personell fjernes fra risikoområder, som kan spare menneskeliv.

En formasjonsstyringsmetode basert på Null-Space-Based Behavior Control (NSB)-prinsippet blir foreslått for formasjoner av to sammenkoblede underaktuerte ubemannede overflatefarkoster (USV-er) under forstyrrelse av havstrømmer. Inspirert av idéer fra Line-Of-Sight (LOS), blir den tradisjonelle Closed Loop Inverse Kinematics (CLIK) barycenteroppgaven erstattet av en LOS-metode for banefølging av barycenteret. To teoremer blir presentert hvor det bevises at de lukkede sløyfene for henholdsvis formasjons- og barycenteroppgaven er UGES og USGES under visse betingelser. Videre, ved å behandle kabelen som en tilstandsvarierende forstyrrelse, undersøkes robusthetsegenskapene til begge oppgavene for å sikre at de forblir stabile.

En 3-DOF simuleringsmodell av slepet blir presentert, med en utvidet modell for den hydrodynamiske motstanden for å inkludere havstrømmer, og verifisert mot eksperimentell data. Den foreslåtte metoden blir så implementert og simulert, både med, og uten, kabel, hvor oppgavefeilene konvergerer til null for rette linjer, og forblir avgrenset under svinger.

Til slutt blir NSB-metoden implementert i C++/ROS og integrert inn i de eksisterende autonome systemene til utviklingsfarkostene Odin og Frigg fra FFI. Fullskala eksperimenter til sjøs blir så utført for å verifisere den foreslåtte metoden for det tiltenkte bruksområdet. Eksperimentene viser lovende resultater, men et stasjonæravvik blir observert for cross-track-feilen til barycenteroppgaven. På bakgrunn av de lovende resultatene er videre forsøk med den foreslåtte NSB-metoden og det faktiske slepet planlagt av FFI.

In this thesis, a possible formation control method is proposed for the next generation of future Norwegian unmanned Maritime Mine Counter Measures (MMCM) for autonomous mine-sweeps, which is currently researched by the Norwegian Defence Research Establishment (FFI). Having the capability of performing autonomous mine-sweeps reduces the risk for personnel, potentially saving human lives.

A formation control method based on the Null-Space-Based Behavior Control (NSB) principle is proposed for formations of two interconnected underactuated unmanned surface vessels (USVs) in the presence of constant irrotational ocean currents. Inspired by Line-Of-Sight (LOS) ideas, the traditional Closed Loop Inverse Kinematics (CLIK) barycenter task is replaced by a LOS path following method for the barycenter. Two theorems are presented where it is proven that the closed-loop formation and barycenter tasks are UGES and USGES, respectively, under certain conditions. By treating the cable as a state dependent disturbance, the robustness properties of both tasks are then investigated to ensure they remain bounded when connecting the cable.

A 3-DOF simulation model of a floating cable is presented, where the hydrodynamic drag model is extended to incorporate the effects of ocean currents, and verified against experimental data. The developed method is then implemented and simulated, both with and without the cable. In the simulations, the task errors converge to zero for straight-line paths, while they remain bounded during turns.

Finally, the NSB method is implemented in C++/ROS and integrated into the existing autonomous systems of the development vessels Odin and Frigg by FFI. Full-scale experiments, without the sweep, at sea, are then performed to verify the proposed formation control method for the intended application. The tests show promising results, but a steady-state error is observed for the barycenter task’s cross-track error. Based on the promising results, further experiments are planned by FFI using the proposed NSB method and the sweep.